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Go语言读写锁RWMutex的源码

2022-10-09 | 佚名 | 点击：次

在前面两篇文章中 初见 Go Mutex 、Go Mutex 源码详解，我们学习了 Go语言 中的 Mutex，它是一把互斥锁，每次只允许一个 goroutine 进入临界区，可以保证临界区资源的状态正确性。但是有的情况下，并不是所有 goroutine 都会修改临界区状态，可能只是读取临界区的数据，如果此时还是需要每个 goroutine 拿到锁依次进入的话，效率就有些低下了。例如房间里面有一幅画，有人想修改，有人只是想看一下，完全可以放要看的一部分人进去，等他们看完再让修改的人进去修改，这样既提高了效率，也保证了临界区资源的安全。看和修改，对应的就是读和写，本篇文章我们就一起来学习下 Go语言 中的读写锁sync.RWMutex。

说明：本文中的示例，均是基于Go1.17 64位机器

RWMutex 总览

RWMutex 是一个读/写互斥锁，在某一时刻只能由任意数量的 reader 持有 或者 一个 writer 持有。也就是说，要么放行任意数量的 reader，多个 reader 可以并行读；要么放行一个 writer，多个 writer 需要串行写。

RWMutex 对外暴露的方法有五个：

一旦涉及到多个 reader 和 writer ，就需要考虑优先级问题，是 reader 优先还是 writer 优先：

我们先来看下 RWMutex 的运行机制，就可以知道它的优先级是什么了。

可以想象 RWMutex 有两个队伍，一个是包含 所有reader 和你获得准入权writer 的 队列A，一个是还没有获得准入权 writer 的 队列B。

初始时刻 队列A 中 writer W1 前面有三个 reader，后面有两个 reader，队列B中有两个 writer

RWMutex运行示例：初始时刻

并发读 多个 reader 可以同时获取到读锁，进入临界区进行读操作；writer W1 在 队列A 中等待，同时又来了两个 reader，直接在 队列A 后面排队

RWMutex运行示例：并发读

写操作 W1 前面所有的 reader 完成后，W1 获得锁，进入临界区操作

RWMutex运行示例：写操作

获得准入权 W1 完成写操作退出，先让后面排队的 reader 进行读操作，然后从 队列B 中唤醒 W2 到 队列A 排队。W2 从 队列B 到 队列A 的过程中，R8 先到了 队列A，因此 R8 可以执行读操作。R9、R10、R11 在 W2 之后到的，所以在后面排队；新来的 W4 直接在队列B 排队。

RWMutex运行示例：获得准入权

从上面的示例可以看出，RWMutex 可以看作是没有优先级，按照先来先到的顺序去执行，只不过是 多个reader 可以 并行 去执行罢了。

深入源码

数据结构

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type RWMutex struct {

 w           Mutex  // 控制 writer 在 队列B 排队

 writerSem   uint32 // 写信号量，用于等待前面的 reader 完成读操作

 readerSem   uint32 // 读信号量，用于等待前面的 writer 完成写操作

 readerCount int32  // reader 的总数量，同时也指示是否有 writer 在队列A 中等待

 readerWait  int32  // 队列A 中 writer 前面 reader 的数量

}

 

// 允许最大的 reader 数量

const rwmutexMaxReaders = 1 << 30

上述中的几个变量，比较特殊的是 readerCount ，不仅表示当前 所有reader 的数量，同时表示是否有 writer 在队列A中等待。当 readerCount 变为 负数 时，就代表有 writer 在队列A 中等待了。

举例：假设当前有两个 reader，readerCount = 2；允许最大的reader 数量为 10

RLock()

reader 执行读操作之前，需要调用 RLock() 获取锁

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func (rw *RWMutex) RLock() {

  

  // reader 加锁，将 readerCount 加一，表示多了个 reader

  if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {

   

    // 如果 readerCount<0，说明有 writer 在自己前面等待，排队等待读信号量

  runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false, 0)

 }

}

RUnlock()

reader 执行完读操作后，调用 RUnlock() 释放锁

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func (rw *RWMutex) RUnlock() {

 

  // reader 释放锁，将 readerCount 减一，表示少了个 reader

 if r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -1); r < 0 {

   

    // 如果readerCount<0，说明有 writer 在自己后面等待，看是否要让 writer 运行

  rw.rUnlockSlow(r)

 }

}

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func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {

 

  // 将 readerWait 减一，表示前面的 reader 少了一个

 if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {

     

  // 如果 readerWait 变为了0，那么自己就是最后一个完成的 reader

    // 释放写信号量，让 writer 运行

  runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)

 }

}

Lock()

writer 执行写操作之前，调用 Lock() 获取锁

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func (rw *RWMutex) Lock() {

 

   // 利用互斥锁，如果前面有 writer，那么就需要等待互斥锁，即在队列B 中排队等待；如果没有，可以直接进入 队列A 排队

   rw.w.Lock()

 

  // atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) 将 readerCount 变成了负数

  // 再加 rwmutexMaxReaders，相当于 r = readerCount，r 就是 writer 前面的 reader 数量

   r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders

    

   // 如果 r!= 0 ，表示自己前面有 reader，那么令 readerWait = r，要等前面的 reader 运行完

   if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {

      runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false, 0)

   }

 

}

Lock() 和 RUnlock() 是会并发进行的：

这就是为什么 rUnlockSlow() 要判断 atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 以及 Lock() 要判断 atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 的原因。

Unlock()

writer 执行写操作之后，调用 Lock() 释放锁

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func (rw *RWMutex) Unlock() {

 

  // 将 readerCount 变为正数，表示当前没有 writer 在队列A 等待了

 r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders)

 

  // 将自己后面等待的 reader 唤醒，可以进行读操作了

 for i := 0; i < int(r); i++ {

  runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)

 }

  

  // 释放互斥锁，如果队列B有writer，相当于唤醒一个来队列A 排队

 rw.w.Unlock()

 

}

writer 对 readerCount 一加一减，不会改变整体状态，只是用正负来表示是否有 writer 在等待。当然，如果在 writer 将 readerCount变为负数后，来了很多 reader，将 readerCount 变为了正数，此时reader 在 writer 没有释放锁的时候就获取到锁了，是有问题的。但是 rwmutexMaxReaders 非常大，可以不考虑这个问题。

常见问题

不可复制

和 Mutex 一样，RWMutex 也是不可复制。不能复制的原因和互斥锁一样。一旦读写锁被使用，它的字段就会记录它当前的一些状态。这个时候你去复制这把锁，就会把它的状态也给复制过来。但是，原来的锁在释放的时候，并不会修改你复制出来的这个读写锁，这就会导致复制出来的读写锁的状态不对，可能永远无法释放锁。

不可重入

不可重入的原因是，获得锁之后，还没释放锁，又申请锁，这样有可能造成死锁。比如 reader A 获取到了读锁，writer B 等待 reader A 释放锁，reader 还没释放锁又申请了一把锁，但是这把锁申请不成功，他需要等待 writer B。这就形成了一个循环等待的死锁。

加锁和释放锁一定要成对出现，不能忘记释放锁，也不能解锁一个未加锁的锁。

实战一下

Go 中的 map 是不支持 并发写的，我们可以利用 读写锁 RWMutex 来实现并发安全的 map。在读多写少的情况下，使用 RWMutex 要比 Mutex 性能高。

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package main

 

import (

 "fmt"

 "math/rand"

 "sync"

 "time"

)

 

type ConcurrentMap struct {

 m     sync.RWMutex

 items map[string]interface{}

}

 

func (c *ConcurrentMap) Add(key string, value interface{}) {

 c.m.Lock()

 defer c.m.Unlock()

 c.items[key] = value

}

 

func (c *ConcurrentMap) Remove(key string) {

 c.m.Lock()

 defer c.m.Unlock()

 delete(c.items, key)

}

func (c *ConcurrentMap) Get(key string) interface{} {

 c.m.RLock()

 defer c.m.RUnlock()

 return c.items[key]

}

 

func NewConcurrentMap() ConcurrentMap {

 return ConcurrentMap{

  items: make(map[string]interface{}),

 }

}

 

func main() {

 m := NewConcurrentMap()

 

 var wait sync.WaitGroup

 

 wait.Add(10000)

 for i := 0; i < 10000; i++ {

 

  key := fmt.Sprintf("%d", rand.Intn(10))

  value := fmt.Sprintf("%d", rand.Intn(100))

  if i%100 == 0 {

   go func() {

    defer wait.Done()

    m.Add(key, value)

   }()

  } else {

   go func() {

    defer wait.Done()

    fmt.Println(m.Get(key))

    time.Sleep(time.Millisecond * 10)

   }()

  }

 

 }

 

 wait.Wait()

}
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/hJaO6lY-3Cs6SRsHYGNhQg
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